内置测温传感器对高压电缆中间接头内温度场分布的影响

王激华，陈建武，王彬栩，管金胜，杨跃平，孔彬，刘可龙

(国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江 宁波 315012)

高压电缆系统由电缆本体和附件所组成，附件包含了中间接头和终端两部分。多年的运行经验显示，电缆中间接头发生故障数量占到电缆系统总故障数量的一半以上。温度是评估电缆中间接头运行状态的一项重要参数。目前，常见的电缆运行温度监测手段包括感温电缆温度监测系统、热敏电缆温度监测系统、红外温度监测系统、光纤光栅测温和分布式光纤温度监测系统等。但当前的应用情况反映出，上述技术手段也存在一定的弊端：感温、热敏、红外电缆温度监测手段测量存在一定误差，不能准确反映被测电缆线芯导体的实际温度；光纤光栅测温装置成本高，且其因不够接近待测的电缆线芯，故需要复杂的后续算法补偿。

为克服上述现有电缆接头测温技术的弊端，本文提出了一种基于压电薄膜的新型高压电缆接头内置式测温装置，其具备无源、无线、长寿命（30年以上）等优势，可以满足国家电网公司发布的《高压电缆接头内置式导体测温装置技术规范》，不对电缆接头的绝缘性能、密封性能及导电性能造成影响。该测温装置的整体结构包含内置测温薄膜、读取天线、读取器和取点互感器，其中内置式测温传感器厚度仅约2mm，具备轻、薄、柔的外形特点，可紧密地贴附于圆柱形电缆线芯的表面，直接测量电缆线芯导体温度。

需要说明的是，上述内置式测温薄膜的存在是否会影响整体电缆中间接头正常运行时的温度场分布，仍需进一步深入地探究。因此，本文通过有限元仿真手段，对内置上述测温薄膜的电缆中间接头进行电热耦合仿真计算，研究不同工况下内置测温薄膜对电缆中间接头温度场分布的影响，以期为内置式测温传感器的结构设计和性能改进提供指导。

1 建模仿真

高压交联聚乙烯电缆（XLPE）中间接头主要为预制式。按照结构形式的不同，预制式电缆接头可分为组装预制式和整体预制式。整体预制式接头因绝缘界面少、安装方便，得到了较为广泛的应用，其结构示意如图1所示。

考虑到电缆本体和中间接头主体的主要组成部分均为轴对称结构，可以将电缆接头等效并简化为轴对称结构。本仿真以电压等级为110kV、电缆导体横截面积为900mm2的整体预制式电缆中间接头为研究对象，所参考电缆的型号为3M公司生产的SC123T。根据该型号电缆接头的实际尺寸，在COMSOL Multiphysics®多物理场仿真软件中建立包含内置测温装置的110kV电缆中间接头的仿真模型，如图2所示。在模型设置中，分别建立电流和固体传热物理场，并采用电磁热模块将两者耦合。单芯电缆的相电压有效值约为63.5kV。考虑到轴对称结构，在结果分析中，可以图3中的下边界为轴旋转360°得到三维模型。电热耦合仿真所需的电缆中间接头部分结构的相关电气和传热参数典型取值如表1所示。

图1 整体预制式电缆中间接头结构示意

2 仿真结果与讨论

图2 110kV电缆与整体预制式电缆中间接头的仿真模型

2.1 整体稳态温度场分布

本文对不同电缆线芯温度下内置测温传感器的电缆中间接头进行电热耦合仿真计算，提取关键部位温度数据，与未内置测温传感器时的计算结果进行对比分析，以研究不同电缆线芯温度下内置测温传感器对接头温度场分布产生的影响。

在电缆线芯温度为60℃、环境温度为20℃的工况下，由COMSOL仿真得到的内置测温装置的110kV电缆中间接头内的稳态温度分布和等温线如图3、4所示。整体而言，电缆中间接头内的温度由轴心沿径向逐渐降低。电缆本体的绝缘中温度分布均匀且密集，而电缆接头的绝缘（尤其是预制接头主绝缘）中温度分布则相对较为稀疏。该温度场分布亦可表明，电缆接头外护套附近的温度与电缆线芯温度之间的差异可达10℃以上，若将测温传感器安置于接头主绝缘或护套外部，并不能准确测得电缆线芯的实际温度。正如引言中所述，这是现有电缆温度监测技术的弊端之一。

表1 电缆中间接头相关电气和传热参数

图3 110kV电缆中间接头内的稳态温度分布（电缆线芯60℃、环境温度20℃）

图4 110kV电缆中间接头的等温线分布（电缆线芯60℃、环境温度20℃）

2.2 不同电缆线芯温度下的稳态温度分布

进一步可改变电缆线芯温度，对不同工况下的温度场分布变化进行研究。在电缆线芯温度为40℃、环境温度为20℃的工况下，未内置测温传感器时的温度分布如图5所示，其中，测温传感器安置处的温度为39.64℃。内置测温传感器后的温度分布如图6所示。观察可得，置入测温传感器后，电缆中间接头内的温度场分布几乎未发生变化，其中，测温传感器安置处的温度为39.85℃，与置入传感器前的差异仅为0.21℃，几乎可忽略不计。

在电缆线芯温度为60℃、环境温度为20℃的工况下，未内置测温传感器时的温度分布如图7所示，其中，测温传感器安置处的温度为59.28℃。内置测温传感器后的温度分布如图8所示。观察可得，置入测温传感器后，电缆中间接头内的温度场分布亦几乎未发生变化，其中，测温传感器安置处的温度为59.69℃，与置入传感器前的差异仅为0.41℃，几乎可以忽略。

图5 无内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯40℃、环境温度20℃）

图6 内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯40℃、环境温度20℃）

在电缆线芯温度为90℃、环境温度为20℃的工况下，未内置测温传感器时的温度分布如图9所示，其中，测温传感器安置处的温度为88.92℃。内置测温传感器后的温度分布如图10所示。观察可得，置入测温传感器后，电缆中间接头内的温度场分布亦几乎未发生变化，其中，测温传感器安置处的温度为89.54℃，与置入传感器前的差异仅为0.62℃，几乎可以忽略。

根据上述仿真计算结果，可以提取测温传感器安置处温度数据，与未内置测温传感器时的计算结果进行对比分析。由对比结果可得，在环境温度恒定为20℃，电缆线芯温度为40℃、60℃、90℃等多个不同工况下，内置测温传感器对安置点处温度分布的影响百分比分别为0.53%、0.69%、0.70%，均在工程允许误差范围内。因此，可以认为内置测温传感器对电缆中间接头内的温度分布的影响均可忽略，测温传感器安置处温度几乎没有显著变化。

3 结语

图7 无内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯60℃、环境温度20℃）

图8 内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯60℃、环境温度20℃）

图9 无内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯90℃、环境温度20℃）

图10 内置测温传感器的电缆接头内温度分布（电缆线芯90℃、环境温度20℃）

为克服现有电缆接头测温技术中存在的无法直接准确测定电缆线芯温度、成本高等问题，本文提出了一种基于压电薄膜的新型高压电缆接头内置式测温装置，利用COMSOL多物理场仿真软件对内置上述测温薄膜的电缆中间接头进行电热耦合仿真计算，研究了不同线芯温度工况下内置测温薄膜对电缆中间接头温度场分布的影响，以期为内置式测温传感器的结构设计和性能改进提供指导。研究可得以下主要结论：

（1）内置式测温传感器具有轻、薄、柔的外型和稳定的材料特性，可紧密贴附在电缆线芯（或压接管）的表面，直接测量电缆线芯的真实温度。

（2）安置测温传感器前后，电缆中间接头内的温度分布几乎未发生变化，表面该内置式测温传感器对电缆中间接头的温度分布几乎无影响，传感器安置处无温度集中现象。

（3）在30℃、60℃、90℃等多个不同的电缆线芯温度工况下，内置测温传感器均对电缆中间接头内的温度分布无影响。内置测温传感器对安置点处温度分布的影响百分比分别为0.53%、0.69%、0.70%，均在工程允许误差范围内。